Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 29 – vyšlo 24. července, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

29/2009

Optické médium na bázi hologramu

Ondřej Penc

Potřeba skladovat stále větší objemy dat vede vědce k novým způsobům, jak využít materiál, který je dostupný, ale také k vývinu nových materiálů, použitelných ke tvorbě datových médií. Rodina CDCD – Compact Disk, kompaktní disk. Jde o optický disk určený pro ukládání digitálních dat. Data jsou uložena ve stopách, které tvoří spirálu začínající ve středu média. Každá stopa může obsahovat digitální zvukovou nahrávku (tzv. audio CD) nebo (počítačem čitelná) data (CD-ROM). Příčný odstup stop je 1,6 μm. Pro čtení kompaktních disků se používá laserové světlo s vlnovou délkou 785 nm., DVDDVD – Digital Versatile Disc nebo Digital Video Disc, formát digitálního optického datového nosiče, který může obsahovat filmy ve vysoké obrazové a zvukové kvalitě nebo jiná data. DVD nosič je zpětně kompatibilní s CD nosičem, a proto se mu značně podobá. Příčný odstup stop je 0,74 μm. Pro čtení dat se používá laserové světlo s vlnovou délkou 660 nm. a Blue-ray diskůBlue-ray Disk – disk patřící k třetí generaci optických disků, určených pro ukládání digitálních dat. Data se ukládají ve stopě tvaru spirály 0,1 mm pod povrch disku, příčný odstup stop je 0,35 μm. Pro čtení disků Blu-ray se používá laserové světlo s vlnovou délkou 405 nm. Technologii vyvinula japonská firma Sony, podílí se na ní také například firma Philips. Název disku pochází z anglického Blue ray, tj. modrý paprsek, označení související s barvou světla používaného ke čtení. se v nejbližší době rozšíří o disk na bázi hologramu. Tento nový přírůstek bude pro začátek schopný pojmout až 500 GB, ale s dalšími generacemi holografických disků se přiblíží až k jednotkám TB.

Holografie – forma záznamu obrazu, která umožňuje zachytit jeho trojrozměrnou strukturu na dvourozměrný obrazový nosič neboli hologram (fotografická deska, binární záznam) a jeho opětovnou rekonstrukci. Na hologram se zaznamenává jak intenzita, tak fáze světla. Holografii objevil Dennis Gabor v roce 1948, kvalitní hologramy byly ale pořízeny až po objevu laseru. V elektronovém mikroskopu lze pořídit elektronový hologram, v němž je zaznamenáno jak množství elektronů prošlých vzorkem, tak fáze jejich hmotové vlny. Fáze elektronových vln je citlivá na magnetické pole, proto je možné z elektronového hologramu určit průběh magnetických siločar ve vzorku. CD – Compact Disk, kompaktní disk. Jde o optický disk určený pro ukládání digitálních dat. Data jsou uložena ve stopách, které tvoří spirálu začínající ve středu média. Každá stopa může obsahovat digitální zvukovou nahrávku (tzv. audio CD) nebo (počítačem čitelná) data (CD-ROM). Příčný odstup stop je 1,6 μm. Pro čtení kompaktních disků se používá laserové světlo s vlnovou délkou 785 nm. DVD – Digital Versatile Disc nebo Digital Video Disc, formát digitálního optického datového nosiče, který může obsahovat filmy ve vysoké obrazové a zvukové kvalitě nebo jiná data. DVD nosič je zpětně kompatibilní s CD nosičem, a proto se mu značně podobá. Příčný odstup stop je 0,74 μm. Pro čtení dat se používá laserové světlo s vlnovou délkou 660 nm. Blue-ray Disk – disk patřící k třetí generaci optických disků, určených pro ukládání digitálních dat. Data se ukládají ve stopě tvaru spirály 0,1 mm pod povrch disku, příčný odstup stop je 0,35 μm. Pro čtení disků Blu-ray se používá laserové světlo s vlnovou délkou 405 nm. Technologii vyvinula japonská firma Sony, podílí se na ní také například firma Philips. Název disku pochází z anglického Blue ray, tj. modrý paprsek, označení související s barvou světla používaného ke čtení.

Hologram

Se slovem hologramHolografie – forma záznamu obrazu, která umožňuje zachytit jeho trojrozměrnou strukturu na dvourozměrný obrazový nosič neboli hologram (fotografická deska, binární záznam) a jeho opětovnou rekonstrukci. Na hologram se zaznamenává jak intenzita, tak fáze světla. Holografii objevil Dennis Gabor v roce 1948, kvalitní hologramy byly ale pořízeny až po objevu laseru. V elektronovém mikroskopu lze pořídit elektronový hologram, v němž je zaznamenáno jak množství elektronů prošlých vzorkem, tak fáze jejich hmotové vlny. Fáze elektronových vln je citlivá na magnetické pole, proto je možné z elektronového hologramu určit průběh magnetických siločar ve vzorku. se mně vybaví postavičky z kreslených pohádek o Tomovi&Jerrym, ve kterých se kocour snaží chytit myš, šlápne na hrábě a nabije si nos. Toto všechno zobrazeno na destičce, která ukáže při postupné změně úhlu pohledu celou scenérii. Dá se říct, že hologram v sobě také uchovává více obrazů, obrazů jednoho objektu z různých úhlů pohledu. Jednu formu hologramu můžeme vidět i na dnešních dokladech totožnosti, ceninách atd. Hologram představuje záznam trojrozměrného objektu na dvourozměrné médium. Jeho výroba se, zjednodušeně řečeno, provádí pomocí dvou světelných svazků laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.. Odražená část osvětlovacího svazku putuje od zaznamenávaného objektu na záznamovou desku, kde interferujeInterference – skládání vln z několika zdrojů. V daném místě se sčítají amplitudy vln. Jsou-li v protifázi, dojde k zeslabení výsledné vlny (destruktivní interferenci). Jsou-li ve fázi, dojde k zesílení výsledné vlny (konstruktivní interferenci). V detekčním přístroji se detekuje intenzita vlny, která je úměrná druhé mocnině amplitudy. s referenčním laserovým svazkem a vytváří interferenční obrazec. Světlo interaguje s fotocitlivou vrstvou na záznamové desce a lokálně mění její index lomuIndex lomu – absolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu.. Pro rekonstrukci obrazu je deska osvícena laserem ze stejného úhlu, jako ji osvětloval referenční svazek. Světlo laseru projde záznamovou deskou a změní se jeho směr a fáze podle tvaru interferenčního obrazce a my vidíme trojrozměrný obraz objektu, jenž byl dříve snímán.

Schématické znázornění záznamu hologramu.
Zdroj: Bob Mellish a D1ce, licence GNU FDL.

Schematické znázornění rekonstrukce hologramu.
Zdroj: Bob Mellish a D1ce, licence GNU FDL.

Interferenční obrazec

Jde o obrazec, jenž vznikne při interakci dvou zdrojů koherentníchKoherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout. vln. Jako příklad uveďme dva zdroje kruhových vln na hladině rybníka. Pokud se dvě takové vlny překříží, dojde k jejich zesílení nebo zeslabení, případně k úplnému vyrušení. Interferenční obrazec je dobře znázorněn v apletu [1].

Interferenční obrazce, zleva doprava roste vzdálenost dvou zdrojů kruhových vln,
od shora dolů stoupá vlnová délka. Zdroj: Florian Marquardt, licence CC-BY-SA 3.0.

Holografický záznam dat

S myšlenkou jak uložit binární data pomocí hologramuHolografie – forma záznamu obrazu, která umožňuje zachytit jeho trojrozměrnou strukturu na dvourozměrný obrazový nosič neboli hologram (fotografická deska, binární záznam) a jeho opětovnou rekonstrukci. Na hologram se zaznamenává jak intenzita, tak fáze světla. Holografii objevil Dennis Gabor v roce 1948, kvalitní hologramy byly ale pořízeny až po objevu laseru. V elektronovém mikroskopu lze pořídit elektronový hologram, v němž je zaznamenáno jak množství elektronů prošlých vzorkem, tak fáze jejich hmotové vlny. Fáze elektronových vln je citlivá na magnetické pole, proto je možné z elektronového hologramu určit průběh magnetických siločar ve vzorku. poprvé přišel Pieter van Heeden. Osvětlovacímu laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. postavil do cesty matici s neprůhlednými a průhlednými oblastmi, jež představovaly jedničky a nuly jednotlivých bitůbit – základní jednotka klasické informace, která nabývá dvou hodnot (ano/ne), (0/1), (pravda/nepravda) atd. Násobnou jednotkou je kilobit označující 2¹⁰ = 1024 možností. Termín zavedl Claude Elwood Shanon coby zkratku anglického termínu binary digit. Fyzikální realizace bitu si žádá systém se dvěma dobře definovanými stavy – například logický obvod bez napětí a s napětím.. Modifikované světlo dopadalo na záznamovou desku a vytvářilo stejný efekt jako při záznamu obrazu. Čtení probíhalo také obdobně:

Schematické naznačení uložení a vyvolání binární informace do hologramu, princip je stejný jako při práci s obrazem. a) 1 – laser, 2 – polopropustné zrcadlo, 3 – zrcadlo, 4 – matice,  5 – záznamová plocha. b) 1 – laser, 2 – záznamová plocha, 3 – převodník světelného obrazu na digitální informaci, 4 – matice.

U holografického způsobu ukládání dat se počítá s využitím větší části materiálu, z něhož je disk vyroben, pro uložení dat. Vícevrstvé technologie se používají již dnes, ale pouze v řádech jednotek vrstev. U dnešních DVD jsou to dvě vrstvy (4 vrstvy v případě oboustranného disku), což ale představuje jen velmi tenkou vrstvu využitého materiálu pro data a zbytek slouží pouze jako tělo disku.

Existují dva přístupy k realizaci ukládání dat pomocí hologramuHolografie – forma záznamu obrazu, která umožňuje zachytit jeho trojrozměrnou strukturu na dvourozměrný obrazový nosič neboli hologram (fotografická deska, binární záznam) a jeho opětovnou rekonstrukci. Na hologram se zaznamenává jak intenzita, tak fáze světla. Holografii objevil Dennis Gabor v roce 1948, kvalitní hologramy byly ale pořízeny až po objevu laseru. V elektronovém mikroskopu lze pořídit elektronový hologram, v němž je zaznamenáno jak množství elektronů prošlých vzorkem, tak fáze jejich hmotové vlny. Fáze elektronových vln je citlivá na magnetické pole, proto je možné z elektronového hologramu určit průběh magnetických siločar ve vzorku.. Prvním je ukládání informace po stránkách – velká skupina bitůbit – základní jednotka klasické informace, která nabývá dvou hodnot (ano/ne), (0/1), (pravda/nepravda) atd. Násobnou jednotkou je kilobit označující 2¹⁰ = 1024 možností. Termín zavedl Claude Elwood Shanon coby zkratku anglického termínu binary digit. Fyzikální realizace bitu si žádá systém se dvěma dobře definovanými stavy – například logický obvod bez napětí a s napětím. je uložena do mikroskopického hologramu a ty jsou posléze umísťovány do média na celé jeho tloušťce. Velkou výhodou tohoto systému je paralelní přenos dat a tím zvýšení přenosové rychlosti, až miliony bitů lze zapsat nebo přečíst najednou. Nový přístup vyžaduje vytvoření zcela nové platformy pro zápis a čtení dat. Druhý způsob ukládá data bit po bitu, jeden hologram obsahuje jeden bit. Výhodou je možná kompatibilita s nynějšími optickými médii. Oba holografické způsoby používají pro záznam materiály měnící svůj index lomu po osvitu nahrávacím laserem. Zatímco u systému ukládání informace po stránkách se vyplatí použít materiály, které mění index lomu lineárně s osvitem, při ukládání po jednom bitu se objevují problémy s životností již dříve nahraných vrstev dat, navíc jsou rozměry jednotlivých hologramů oproti rozměrům laserového paprsku příliš velké.

Vědci z firmy General Electric přišli s nápadem použít materiál, který má definovaný práh citlivosti na světlo laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.. Tím je myšleno, že materiál nemění svůj index lomu při nižší než prahové intenzitě světla. První generace takového materiálu ukázala, že je v nich proveditelné jednobitové ukládání dat. V tuto chvíli ale není možné materiály s prahovou citlivostí využít v praxi, protože je energetický práh příliš vysoký. Druhá generace, na které už se pracuje, by měla splňovat potřebné energetické limity a pravděpodobně bude použita v praktických zařízeních.

Porovnání kapacit optických médií
CD	Compact Disk	700 MB
DVD	Digital Video Disk	4,7 GB
BD	Blue-ray Disk	25 GB
HVD	Holographic Versatile Disk	500 GB

Závěr

V dnešní době, kdy jsou kladeny velké nároky na datovou kapacitu, je vývin nových technologií velmi důležitý i lukrativní. Holografické disky by mohly osvěžit trh s optickými médii, ve kterém pevné (magnetické) disky převálcovaly blue-ray diskyBlue-ray Disk – disk patřící k třetí generaci optických disků, určených pro ukládání digitálních dat. Data se ukládají ve stopě tvaru spirály 0,1 mm pod povrch disku, příčný odstup stop je 0,35 μm. Pro čtení disků Blu-ray se používá laserové světlo s vlnovou délkou 405 nm. Technologii vyvinula japonská firma Sony, podílí se na ní také například firma Philips. Název disku pochází z anglického Blue ray, tj. modrý paprsek, označení související s barvou světla používaného ke čtení. svou nízkou cenou za 1 GB. Nesmíme ovšem zapomenout na další paměťové konkurenty v podobě opravdu pevných (solid-state) disků. Nicméně hologram a média na jeho bázi mají velký potenciál a jakýkoliv výzkum v této oblasti má smysl. O hologramu ještě určitě hodně uslyšíme.

Porovnání budoucího disku HVD se současným DVD.

Odkazy